Energy: 覃超、姜永东等 | 二氧化碳如何改变页岩储层润湿特性？

超临界CO₂(ScCO₂)开采页岩气不仅可以避免水力压裂技术带来的一系列问题，提高页岩气采收率，还能实现CO₂地质封存，助力我国“2060碳中和”目标实现。储层岩石润湿性是影响页岩气回收和CO₂封存安全性的关键因素，然而，目前对ScCO₂注入后页岩储层气液润湿转化机制尚未清楚。针对以上关键问题，贵州大学校聘副教授覃超联合重庆大学姜永东教授及其合作者，采用静态座滴-椭圆拟合法测量了在不同ScCO₂作用时间、压力条件下四川盆地龙马溪组（海相）页岩和鄂尔多斯盆地延长组（陆相）页岩的水润湿特性。研究发现，ScCO₂作用后页岩水润湿性减弱，作用压力的影响略微高于作用时间，其润湿转化机制主要源于CO₂-水-岩相互作用溶解了页岩中的方解石和黏土矿物。

图1 ScCO₂作用对页岩矿物组分的影响

基于不同ScCO₂作用时间下页岩水接触角测试数据，建立了考虑原始接触角和ScCO₂作用时间的页岩水接触角预测模型，发现龙马溪组页岩的原始接触角和ScCO₂作用时间因子均小于延长组页岩，说明ScCO₂注入对延长组页岩润湿性的影响程度较大，这可能与延长组页岩含有较多的黏土矿物有关。根据多孔介质表面物理化学性质，结合Henry定律和化工热力学相关理论，深入分析了ScCO₂作用时间、压力对页岩水润湿性的影响机理，阐明了ScCO₂作用下页岩润湿转化机制。

图2 ScCO₂作用下页岩水接触角演化规律

ScCO₂作用后，页岩水润湿性减弱表明页岩和水分子之间的相互作用力发生了变化，这会促使页岩从水润湿转变为CO₂润湿，导致储层水在页岩孔隙、裂隙中的流动阻力减小，储层水锁效应减弱，有利于页岩气在孔隙通道中渗流，提高页岩气采收率；但页岩水润湿性减弱会导致孔隙毛细管力减小，这可能会增加CO₂泄露风险，从而对CO₂地质封存稳定性产生负面影响，因此实际工程中应当注意这一点。

图3 ScCO₂注入后页岩层水锁效应及CO₂泄漏风险示意图

文献来源：Qin, C., (覃超) Jiang, Y.D., (姜永东) Zhou, J.P., (周军平) Zuo, S.Y., (左双英) Chen, S.W., (陈世万) Liu, Z.J., (刘正杰) Yin, H., (殷宏) Li, Y., (李业) 2022. Influence of supercritical CO₂ exposure on water wettability of shale: Implications for CO₂ sequestration and shale gas recovery. Energy 242: 122551. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122551